I.MISE EN EVIDENCE SUR LE TERRAIN : A.ETUDE D UN EXEMPLE 1. ANALYSE STRUCTURALE LES TRANSFORMATIONS MINERALES L étude de trois échantillons de roches de mêmes âges prises de la carte de Tulle (fig.1.).ces échantillons repartis dans la coupe nord sud. (fig.2.) Echantillon n 1 : le micaschiste de Travassac (présence de schistosité et foliation) Echantillon n 2 : le micaschiste de Cambron (perturbation de la schistosité par des gros minéraux) Echantillon n 3 : le Gneiss de Bas limousin (apparition de litage) 2. ANALYSE MINERALOGIQUE : L analyse fine est détaillée faite en laboratoire précise la minéralogie. Chaque échantillon est caractérisé par une association de minéraux ou paragenése que l on représente comme l indique le tableau 1 de la figure 3. En passant du sud vers le nord c'est-à-dire du micaschiste du Travassac au gneiss de bas limousin, on assiste a une disparition des certains minéraux et apparition de d autres. 3. ANALYSE CHIMIQUE : Le tableau 2 de la figure 3 donne la composition chimique du micaschiste, gneiss et granite voisin. Il en ressort que les gneiss et les micaschistes ont nettement la même composition chimique globale, et cette composition est très différente de celle des granites voisin. Gneiss et micaschiste doivent donc avoir une origine commune, mais cette origine n est pas à chercher dans les granites voisins. B.INTERPRETATION ET CONCLUSION. Chaque minéral est stable et se forme dans des conditions de température et de pression bien précise, si les trois échantillons analysés de même composition chimique globale montrent une composition minéralogique différente c est qu ils se sont formes dans des conditions différentes de P et T. ils proviennent de la transformation d une roche initiale, dans cet exemple la roche initiale n est pas un granite les contextes géologiques et minéralogiques indiquent qu il s agit plutôt d une série volcanosedimentaire.la déformation des roches ne dépend donc pas uniquement des pressions, les températures ont également une influence considérable. Lorsque ces deux facteurs augmentent ensemble, non seulement la roche passe d un comportement fragile a un comportement ductile, mais en même temps la modification structurale s accompagne d une modification minéralogique en phase solide : c est le métamorphisme. 1
Lorsque les conditions P et T changent l assemblage ou l équilibre minéral devient instable, un nouvel assemblage apparait conformément aux lois de la thermodynamique. Outre P et T les déformations structurales qui déstabilisent l équilibre initial sont probablement les facteurs primordiaux qui favorisent le déroulement des réactions chimiques et l apparition d un nouvel équilibre. C est donc le couple thermodynamique déformation qui doit être pris en considération dans l étude des déformations minéralogiques. II. LES FACTEURS DE TRANSFORMATIONS MINERALOGIQUES A.INFLUENCE DES PRESSIONS ET TEMPERATURES : APPROCHE THERMODYNAMIQUE La stabilité thermodynamique d une espèce minérale pour une température et une pression données dépond directement de l enthalpie libre G que l on peut lui associer, G étant une grandeur énergétique reliée a l énergie interne U de l espèce. Considérant un système physico-chimique en phase solide au sein duquel se produit une réaction chimique et traçons G, l enthalpie libre en fonction de l avancement ξ (ksi) de la réaction : voir le diagramme.1. et l explication. Soit une équation de la forme P=aT +b, c'est-à-dire l équation est une droite. Autrement dit toute transformation minéralogique peut être représentée par une droite représentant le système à l équilibre ; sa pente**** renseigne sur les conditions thermodynamiques de la transformation : une droite verticale (ou presque) indique que la transformation dépend uniquement de T, le système en équilibre est un géothermomètre. une droite horizontale(ou presque) indique que la transformation indique uniquement de P. le système en équilibre est un geobarométre. Généralement, la droite est oblique, l équilibre dépend à la fois de P et T 1. ETUDE D UN EXEMPLE : LES SILICATES D ALUMINES Les silicates d alumines de formule chimique Al 2 Sio 5 existe sous trois formes minéralogiques différentes, ce sont des minéraux polymorphes : -l andalousite qui cristallise dans le système orthorhombique, elle se présente en petits prismes a section carre. Couleur rose marron de densité d= 3.15 -la sillimanite qui cristallise dans le système orthorhombique, elle se présente sous forme ce fibre blanche très fine de densité d=3.25 -le disthène qui cristallise dans le système triclinique, il se présente en prisme bleu aplatis, de densité d=3.6. Chacune de ces espèces est stable dans des conditions de pression et de température précise définissant des domaines de stabilité représentées dans le diagramme de la figure 4. Chaque droite délimitant deux domaines de stabilité correspond a un équilibre minéralogique entre deux minéraux, au point de concours des trois droites, les trois minéraux sont stable ensemble. Ainsi à chimisme constant, des variations de température ou de pression entrainent des transformations 2
minéralogiques selon des réactions chimiques réversibles régies par les lois de la thermodynamique. Ces minéraux sont des indicateurs de P et T ou minéraux index, peu précis ce pendant. En première approximation, on peut associer : Andalousite et basses pressions (BP) ; Sillimanite et hautes températures(ht) ; Disthène et basses température (BT). En fait ce n est pas aussi simple, la pente des droites qui séparent les domaines de stabilité de ces trois minéraux montre bien que le passage de l un a l autre dépend a la fois de la température et de la pression. Ainsi la présence de l un ou de l autre de ces trois silicates indique les conditions P et T dans lesquelles une roche métamorphique s est formée : andalousite, sillimanite, disthène, pris deux à deux constituent des couples thermobarométriques. Lorsqu une roche de surface est enfouie à grande profondeur au cours d une orogenèse, les 2 facteurs Pet T augmentent : 2. LES REACTIONS THERMOMETRIQUES ET BAROMETRIQUES Les transformations minéralogiques se font au cours des réactions chimiques qui dépendent de P et T, dans certaines réactions l un de ces deux facteurs intervient fréquemment de façon plus importante que l autre.et on distingue les réactions thermométriques et barométriques (fig.5.) B.INFLUENCE DES DEFORMATIONS STRUCTURALES : APPROCHE CINETIQUE Dans les roches métamorphiques, on constate généralement que les transformations minéralogiques sont associées aux déformations structurales. : Certains échantillons peu déformés ont pratiquement conservé leur minéralogie d origine, les minéraux nouveaux sont rares les réactions métamorphiques ont été peu intenses ou incomplètes.tandis que d autres, très déformés, ont pratiquement perdu la totalité de leurs minéraux d origine, les minéraux néoformés sont abondants, les réactions du métamorphisme ont été complètes. Il existe même des échantillons sur lesquels on observe en quelques centimètres un gradient de déformation auquel correspond un gradient de transformation minéralogique. Il faut attribuer les différences minéralogiques à une différence dans la vitesse de déroulement des réactions chimiques et cette vitesse d autant plus grande que la roche est plus déformée. Une réaction chimique en phase solide se déroule en quatre étapes : Déstabilisation des réactants, destruction des liaisons chimiques et disjonction des éléments ; Transport des ions et atomes, dans les fractures des minéraux ou a leur périphérie ; Agglomération des ions et atomes, rétablissement des liaisons chimiques dans les nouvelles conditions, ébauche d ou nouveau réseau cristallin ; Croissance et formation de nouveaux minéraux. On pense que c est le transport des ions en phase solide par diffusion qui serait l étape la plus lente et qui limiterait la vitesse des réactions chimiques.or la déformation d un cristal favorise la diffusion des ions et des atomes elle favorise donc la cinétique des réactions.ainsi, dans les zones déformées 3
la cinétique est élevée, les réactions sont complètes, les transformations minéralogiques sont importantes ; dans les zones peu déformées, la cinétique est faible, les réactions sont incomplètes et les transformations minéralogiques sont faibles. C. APPLICATION : COMMENT CARACTERISER LE METAMORPHISME? En cartographiant la répartition des minéraux index, on définit des lignes d égale intensité du métamorphisme ou isogrades. Ces isogrades séparent des zones métamorphiques qui se suivent conformément aux conditions croissantes de manière continue ou décroissantes- des T et P : elle permet de caractériser l importance du métamorphisme et de définir les degrés, l intensité, ou mieux le grade du métamorphisme. La lecture des isogrades n apporte pas toujours de la précision souhaitable, en effet : Si la présence de minéraux index est significative, leur absence ne l est pas car ils dépendent, en outre, de la composition chimique de la zone considérée ; Le même minéral peut se former dans des assemblages minéralogiques divers, par des réactions différentes, dans des conditions P et T différentes. Dans certaines régions, il arrive que des zones métamorphiques voisines soient caractérisées par des assemblages indiquant des conditions P et T trop différentes pour que l on puisse envisager un passage continu de l un vers l autre. Cette juxtaposition traduit l existence d un contact anormal d origine tectonique, la ligne séparant les deux zones n est pas un isograde mais un saut de métamorphisme. Ce cas est très fréquent! En 1914, ces observations ont conduit le Norvégien ESKOLA à définir la notion de faciès métamorphique. III. FACIES ET TYPES METAMORPHIQUES A.LES FACIES METAMORPHIQUES A la notion de zone métamorphique, ESKOLA substitue celle de faciès métamorphique en faisant appel à l ensemble des minéraux ou paragenése, stables dans les mêmes limites étroites de P et T. (fig.6.) On appelle faciès métamorphique, un ensemble de roches métamorphiques de composition chimique différente, concernant des minéraux qui se sont formés en même temps, dans un même intervalle étroit de P et T, c'est-à-dire un domaine de stabilité commun étroit. On appelle assemblage typomorphe l ensemble des minéraux en équilibre formés pendant le même épisode de cristallisation qui permettent de caractériser un facies métamorphique. Définitions de différents facies métamorphiques : 1-facies a zéolites : les zéolites marquent la transition entre la diagenèse et métamorphisme. 4
2-facies a préhnite pumpellyite : ces minéraux caractérisent le début de métamorphisme 3-facies à des schistes bleus : défini par la présence d une amphibole bleue le glaucophane, et la jadéite (pyroxène bleu vert) indiquent de fortes pressions et de températures faibles 4- facies des schistes verts : caractérisé par des amphiboles vertes. Des températures comprises entre 200 et 400 c et des pressions inferieures à 8 kbars. 5-faciès des amphibolites : caractérisé par l apparition de l amphibole hornblende, il contient le point triple andalousite-sillimanite-disthène. 6-facies des granulites : il est caractérisé par des températures très élevées (T= 700 à 750 c), par l absence de l eau, l absence des minéraux hydratés (micas, amphiboles) et la présence de minéraux anhydres (sillimanite, disthène, grenat ) c est l association pyroxènes plagioclases qui définit le faciès granulite. 7-faciès des éclogites : apparait à grandes profondeurs, à pressions et températures élevées. Ce sont les conditions qui permettent aux gabbros et basaltes d être sous la forme d éclogite. 8- facies des cornéennes : c est le faciès particulier des auréoles du métamorphisme qui se développe au contacte des intrusions chaudes. B. NOTION DE GRADIENT ET DE TYPES METAMORPHIQUES Dans une région métamorphique, l analyse des assemblages minéralogiques en différents points permet de retrouver une valeur approximative de P et T pour chacun des points. En remplaçant ces valeurs sur un diagramme P-T, on constate alors que dans une série homogène, sans contacts anormaux, ou tous les minéraux sont de même âge. Les paragenéses, et par conséquent les facies ou les sous facies, se situent le long d une ligne pour laquelle le rapport T/P est constant : c est le gradient métamorphique. métamorphisme prograde ou type de métamorphisme. En 1961, MIYASHIRO a défini trois types métamorphiques correspondant à trois gradients progrades. (fig.7.) 1. LE TYPE HAUTE TEMPERATURE BASSE PRESSION : HT-BP Ce type métamorphique correspond à un gradient moyen de 75 c/km. Il est reconnaissable à la présence des minéraux index andalousite et sillimanite. Ila été observé pour la première fois au japon dans la chaine d Abukama, d ou son nom aussi de type Abukama. 2. LE TYPE MOYENNE TEMPERATURE MOYENNE PRESSION : MT-MP Ce type de métamorphisme correspond a un gradient moyen de 50 c/km, Il est caractérisé par la présence du disthène et la sillimanite et l absence d andalousite. Il a été étudié par Barrow en écosse, d où le nom de type barrowien ou bien daldarien (de daldaria, ancien nom de royaume écossais) 5
3. LE TYPE BASSE TEMPERATURE HAUTE PRESSION : BT-HT Il correspond au gradient moyen de 25 c/km.il est caractérisé par le glaucophanite et la jadéite, la wallastonite, la phangite qui sont des minéraux stables a des pressions élevée et des basses températures.il a été défini dans la région de San Francisco, d où son nom aussi de type franciscain. Pour établir le type métamorphique d une région, il faut être sur que toutes les paragenése utilisées sont de même âge ou plus exactement qu elles ont été formés au cours de la même phase métamorphique.il faut donc distinguer les différentes phases d une formation et les dater l une par rapport à l autre. C. RECONNAISSANCE ET CHRONOLOGIE RELATIVE DES PHASES METAMORPHIQUE En observant la disposition des minéraux dans une roche métamorphique, il est possible de reconnaitre les minéraux qui existaient avant la déformation, minéraux antécinematiques, ceux qui ont été produits par la déformation, minéraux syncinematiques, et ceux qui sont apparus ensuite, minéraux post cinématiques. (fig.8.) IV.LE METAMORPHISME, MARQUEUR DE LA GEODYNAMIQUE GLOBALE L observation des cartes géologiques montrent que le métamorphisme s associe aux montagnes.le métamorphisme s est effectué en profondeur, il affecte les racines des montagnes. Or c est la surface des continent que nous l observons, les roches métamorphiques sont donc remontées.la question qui se pose : comment réagissent les roches et les minéraux métamorphisés au cours de la remontée? Deux cas sont à envisager : Les minéraux métamorphiques sont restés stables, ils permettent d apprécier les valeurs maximales atteintes par P et T, de définir le faciès atteint et le type de métamorphisme, ce sont les minéraux reliques. Malgré la diminution de P et T, les réactions inverses ne se sont pas produites à cause de plusieurs raisons : disparition des fluides formés par les réactions initiales. Dans d autres cas les minéraux reliques ont été déstabilisés de leur périphérie ; ce sont les minéraux coronitiques (fig.9.) qui prouvent-que les réactions réversibles sont produites c est le métamorphisme rétrograde. L analyse de différentes roches métamorphiques permet de reconstituer les conditions P et T du métamorphisme prograde puis rétrograde. On établi un chemin PTt (pression, température et temps) qui permet de comprendre l évolution dynamique des zones orogéniques dans la totalité de leur histoire ; Trois exemples sont envisagés : A.METAMORPHISME ET SUBDUCTION 6
Le métamorphisme HP-BT caractérise la subduction. (fig. 10-a.) B.METAMORPHISME ET COLLISION Le métamorphisme MP-MT caractérise la collision. (fig.10-b.) C.METAMORPHISME ET DETENTE POST COLLISIONNELLE Le métamorphisme BP-HT trouve son explication si l on envisage l évolution post collisionnelle.l explication se fait en trois temps : (fig.12.) (fig.11.) (fig.13.) 1 ier temps : collision 2 iéme temps : début de la détente post collisionnelle.: P diminue 3 ième temps : fin de la détente post collisionelle. 7